Mineralogia

Segundo Baltar et al. (2005), os minerais de sulfato de cálcio podem ser encontrados na natureza com os seguintes formatos: di-hidratado (gipsita: CaSO4. 2 H2O), desidratado (anidrita: CaSO4) e, menos frequente, semi-hidratado (bassanita: CaSO4. ½ H2O). Esta última é de difícil identificação e representa somente 1% dos depósitos minerais de sulfato de cálcio. As tabelas 2.2 e 2.3 mostram a composição química teórica da gipsita e as principais características físicas do mineral, respectivamente.

Tabela 2.2 – Composição química teórica da gipsita.

Composto Composição (%)

CaO 32,5

SO3 46,6

H2O 20,9

(Baltar et al., 2005)

No Polo Gesseiro do Araripe existem diferentes variantes mineralógicas denominados na região como:

 Cocadinha: um tipo de gipsita estratificada com raros filmes de argila verde;  Rapadura: variedade estratificada que apresenta filmes milimétricos de

argila verde;

 Pedra Jonhson: variedade mais pura, com uma coloração variando de branco a creme e se caracteriza por apresentar uma estrutura com “nódulos” e “estrelas”;

 Estrelinha: gipsta que apresenta cristais radiados em forma de estrela;  Alabastro: variedade maciça e transparente, muito usado em esculturas.

Tipo que apresenta problemas na calcinação em virtude de seu caráter fibroso que promove anisotropia;

Tabela 2.3 – Propriedades físicas do mineral gipsita

Propriedade Física Característica

Cor

Variável, podendo ser incolor, branca, cinza e outras (dependendo das

impurezas

Brilho Vítreo, nacarado ou sedoso

Dureza (Escala de Mohs) 2

Densidade 2,3

Hábito Prismático

Clivagem Em quatro direções

Morfologia e tamanho dos cristais Varia de acordo com as condições e ambientes de formação

(Baltar et al., 2005)

A utilização de cada um dos tipos de gipsita depende do produto que se deseja adquirir. As variedades cocadinha, rapadura e estrelinha são utilizadas na produção de gesso beta. A pedra Jonhson, por ser mais pura, é usada na fabricação de gesso alfa. Os dos tipos alabastro, boró e anidrita são utilizados para a fabricação de cimento ou na agricultura. Por sua vez a selenita é utilizada em polanizados. As variantes mineralógicas são exibidas nas figuras 2.11 e 2.12. (Baltar et al., 2004)

Figura 2.11 – Variedade de gipsita utilizadas na fabricação dos diferentes tipos de gesso, respectivamente: cocadinha; Johnson + estrelinha; selenita.

Figura 2.12 – Amostras de alabastro e anidrita encontrada nas jazidas de gipsita da região do Araripe, espécies utilizada na fabricação de cimento.

(Baltar et al., 2004)

2.6 Combustíveis 2.6.1 Lenha

No campo energético, a madeira, usualmente na forma de lenha, possuiu sempre uma função fundamental no desenvolvimento da humanidade por ser a primeira fonte de energia, tendo, a princípio, utilidade no aquecimento e cocção de alimentos. Posteriormente passou a ter a função de combustível em processos para geração térmica, mecânica e elétrica. Com a evolução tecnológica tornou-se possível a utilização de outras fontes de energia, fazendo com que a madeira perdesse progressivamente sua importância relativa. (Brito, 2007; Lopes, 2012)

Atualmente, a lenha continua participando da matriz energética mundial, em maior ou menor escala dependendo da região. Seu uso está associado a diferentes fatores, tais como disponibilidade de florestas, questões ambientais e concorrência econômica com outros tipos de fontes energéticas, como hidrelétricas, energia nuclear e petróleo e seus derivados. (Brito, 2007).

Conforme mostrado na figura 2.13, o uso da lenha tem importância determinante nos países em desenvolvimento. Nessas regiões, ela tem um importante papel como fonte de energia primária, especialmente para uso doméstico e industrial. (Brito, 2007).

Além disso, a madeira, na forma de lenha ou de seu derivado, o carvão vegetal, é um combustível essencial no preparo de alimentos em diversas famílias de comunidades em todo o planeta. De acordo com a FAO (Food and Agriculture Organization), é estimado que 1/3 da população mundial utilize a lenha como fonte energética primária, sendo a maioria residente em países em desenvolvimento.

Em países desenvolvidos, a lenha também apresenta um importante papel como fonte de energia, ainda que em menor escala. Nestas regiões, seu uso é relacionado como uma fonte de energia mais saudável do ponto de vista ambiental, sendo uma opção em relação aos combustíveis fósseis, tendo como importante característica a diminuição dos gases de efeito estufa. (Brito, 2007).

No Brasil, a lenha ainda possui um papel fundamental no balanço energético, como combustível doméstico, como matéria prima para fabricação de carvão ou ainda como combustível industrial, abrangendo fábricas de cimento a uso em caldeiras. Sua produção depende de vários fatores, entre eles: terreno, clima, espécies de árvores e manejo de floresta. (Garcia, 2013)

Figura 2.13 – Porcentagem da biomassa florestal na matriz energética de alguns países.

Na floresta amazônica natural, a média de produção de lenha varia de 180 a 200 st/ha (st – estéteo: m3 de madeira empilhada), apenas considerando-se lenha com diâmetro médio maior que 15 cm. A produção máxima, no entanto, pode chegar a atingir 465 st/ha. Nas regiões de campos, onde se incluem grande parte de Minas Gerais, Bahia e Goiás, a produção de lenha varia amplamente conforme mostrado na tabela 2.4. (Garcia, 2013)

Garcia (2013) também informa aspectos importantes da lenha. A tabela 2.5 apresenta a analise elementar e os poderes caloríficos (inferior e superior) de diferentes categorias de madeira.

O autor também informa que o poder calorífico da madeira é fortemente influenciado pela umidade. A tabela 2.6 indica a relação esta relação. Para fins de planejamento energético, o poder calorífico superior da lenha é considerado 3300 kcal/kg.

Tabela 2.4 – Produção de lenha de matas nativas em região de campos

Tipologia Produção, st/ha

Incrementos na regeneração, st/(ha.ano)

Intervalo entre cortes, anos Mata Úmida 270 15 18 a 20 Mata Seca 240 15 18 a 20 Cerradão 200 12 16 a 20 Cerrado 100 8 12 a 15 Cerradinho 50 5 10 Gerais 10 - - (Garcia, 2013)

Na região do Polo Gesseiro do Araripe, a principal fonte energética da indústria do gesso é a lenha proveniente da Caatinga (figura 2.14) em função dos baixos custos quando comparados com outras fontes energéticas (óleo BPF, gás, eletricidade, etc.).

Tabela 2.5 – Análises típicas de lenha seca de variadas espécies de madeira

Cedro Cipreste Pinho Carvalho Média

Análise elementar (%) C 48,80 54,98 52,55 49,49 51,46 H 6,37 6,54 6,08 6,62 6,40 O 44,46 38,08 41,25 43,74 41,88 S - - - - - N - - - - - Cinzas 0,37 0,40 0,12 0,15 0,26 Poder calorífico (kcal/kg) Superior 4667 5484 4944 4828 4980 Inferior 4322 5130 4616 4665 4683 (Garcia, 2013)

Tabela 2.6 – Poder calorífico de lenhas em função da umidade

Umidade, % massa Poder Calorífico Inferior, kcal/kg

0 4756 10 4221 20 3687 30 3153 40 2619 50 2085 60 1551 68 1124 (Garcia, 2013)

No Araripe o consumo de energéticos florestais (lenha) no setor industrial e comercial é superior a 3 milhões st/ano. No entanto, as reservas madeireiras da Caatinga não são suficientes para abastecer a demanda exigida pela indústria do gesso, especialmente pelo fato de não haver número suficiente de planos de manejo sustentável na região. De acordo com Silva (2008), este problema está

relacionado ao alto período de rotação da Caatinga (10 anos), o que exigiria grandes áreas manejadas.

Figura 2.14 – Lenha nativa usada na calcinação de gipsita.

(Projetec, 2010)

Dessa forma, na medida em que a indústria do gesso se desenvolve, consumindo lenha como principal fonte de energia para a calcinação, o estoque lenheiro da região é devastado proporcionalmente. Consequentemente, as indústrias são forçadas a adquirir lenha de outros estados, muitas vezes por meios ilícitos. Alguns estudos sugerem que a introdução de florestas plantadas de rápido crescimento é uma opção viável para o Polo Gesseiro do Araripe.

Uma das culturas que apresenta esta característica é a do eucalipto (figura 2.15). Em virtude das condições de clima e solo da região, a cultura do eucalipto é indicada como uma das mais propícias devido ao seu variado aproveitamento: lenhas, estacas, papel, madeira para embalagem e construção civil. Ademais esta cultura possui mais de 600 espécies, o que facilita sua introdução em regiões com diversas condições climáticas. É um gênero de rápido crescimento e contínuo ao longo do ano, além de não perder folhas mesmo em climas áridos. Uma análise química elementar típica de lenha de eucalipto é mostrada na tabela 2.7. (Silva, 2008; Gadelha et al., 2015).

Tabela 2.7 – Análise química elementar de lenha de eucalipto Componente Massa (%) Carbono 49,7 Oxigênio 42,3 Hidrogênio 5,8 Nitrogênio 1,4 Enxofre 0,1 Cinzas 0,8 (Garcia, 2013)

Figura 2.15 – Amostra de eucalipto estocada na Gesso Aliança

(Projetec, 2010)

A tabela 2.8 a seguir apresenta os custos associados à calcinação para produção de 1 (uma) tonelada de gesso, especificado por combustíveis.

Pela tabela nota-se que a quantidade de estéreos (st) de lenha necessária para a produção de uma tonelada de gesso reduzida, o que explica em parte sua disseminação. A calcinação não requer grande investimento, o que motiva centenas de pequenos empreendimentos com características produtivas artesanais e estrutura familiar de subsistência. Estima-se que 40% deste setor é estabelecido por micro empresas informais (Projetec, 2010). Na Região do Araripe, grande parte das indústrias consome a lenha sem a preocupação com a sustentabilidade e manutenção do estoque florestal.

Tabela 2.8 – Necessidade e custos de energéticos para a produção de 1 tonelada de gesso.

Combustível Quantidade Unidade Custo unitário de aquisição Custo por tonelada de gesso Lenha 0,5 st R$ 18,00 R$ 9,00 Óleo BPF 35,00 kg R$ 1,1 R$ 38,50 Coque 35,00 kg R$ 0,3 R$ 10,50 GNC 21,25 m3 R$ 1,25 R$ 26,56 GLP 17,00 m3 R$ 2,01 R$ 34,17 (Projetec, 2010)

Em resumo, a facilidade em sua obtenção, envolvendo uma ampla cadeia logística e social, agregando o fato de a maioria das calcinadoras serem de pequeno e médio porte não buscando a eficiência necessária, são fatores que colaboram com a ampla aplicação da lenha no setor. (Projetec, 2010)

2.6.2 Coque de Petróleo

O coque de petróleo (“petroleum coke” ou “petcoke”) é um combustível fóssil sólido, derivado do petróleo, de cor negra e forma aproximadamente granular ou tipo “agulha”. É obtido como subproduto a partir da destilação de petróleo em um processo denomidado “cracking térmico”. (Projetec, 2010)

O coque de petróleo produzido em refinarias é denominado de Coque Verde de Petróleo. A composição de alguns tipos de Coque Verde é mostrada na tabela 2.9. Há uma variação dependendo de sua localidade. (Boateng, 2008) Por apresentar um alto teor de carbono (ao redor de 90%), a queima do coque de petróleo origina gases de combustão com alto teor de dióxido de carbono (CO2). Além disso, grande parte do enxofre não volátil presente no petróleo bruto permanece no coque, assim como materiais inorgânicos não voláteis e metais pesados como o níquel e o vanádio.

Tabela 2.9 – Composição do Coque de Petróleo conforme diferentes fornecedores

Fornecedor Localidade H (%) C (%) S (%) Cinzas O (%) N (%) Gulf Oil Canadá 4,18 93,4 0,73 0,08 - - Collier Illinois (EUA) 4,12 90,4 3,04 0,31 1,54 1,25 Esso Argentina 3,66 90,7 0,76 0,49 1,21 1,67 Stantard Ohio (EUA) 3,73 89,6 2,86 0,12 1,83 1,32 Humble Oil Los Angeles

(EUA)

3,69 91,8 1,5 0,16 -

(Boateng, 2008)

O enxofre presente em sua composição também pode gerar problemas ambientais com a consequente formação de dióxido de enxofre (SO2), um dos principais constituintes na formação da chuva ácida. (Boateng, 2008; Stockman, 2013).

Garcia (2013) observa que a presença de cinzas no coque tem um valor reduzido. No entanto ele afirma que é frequente a constatação de valores de cinzas muito mais altos que o esperado. Isto pode ser resultado da contaminação do coque com terra, areia, etc. nas áreas de estocagem e/ou pelo fato aos meios de transporte estarem sujos. Dessa maneira, o autor alerta para o cuidado na armazenagem e no transporte do coque quando o mesmo apresentar rígidas especificações de teor de cinza.

Dentre as vantagens em se utilizar o coque de petróleo, além de seu baixo preço no mercado, há o fato deste combustível possuir um elevado poder calorífico em relação a outros combustíveis fósseis, como indicado na tabela 2.10. Deste modo é comum a mistura do coque com outro combustível com um menor poder calorífico (como o carvão ou a lenha) com a finalidade de tirar proveito do alto poder calorífico do coque e das menores taxas de emissão de gases prejudiciais ao meio ambiente do outro combustível (Boateng, 2008).

Tabela 2.10 – Poder Calorífico Inferior (PCI) e Superior (PCS) de alguns combustíveis sólidos

Combustível sólido Poder Calorífico Inferior (PCI) [MJ/kg]

Poder Calorífico Superior (PCS) [MJ/kg] Carvão 22,732 23,968 Carvão betuminoso (hulha) 26,122 27,267 Palha de milho 16,370 17,415 Bagaço de cana 15,058 16,355 Coque de petróleo 29,505 31,308 (Greet, 2010)

No Polo Gesseiro do Araripe o coque de petróleo é utilizado nas grandes calcinadoras, ficando a lenha com as de menor porte (figura 2.16). O coque utilizado nas calcinadoras do Araripe é importado do Canadá. As vantagens e desvantagens do uso do coque na indústria do gesso encontram-se na tabela 2.11. (Atecel, 2006; Projetec, 2010)

Figura 2.16 – Forno tipo marmita rotativo fazendo uso do coque

De acordo com alguns empresários que utilizam coque em suas calcinadoras, as características positivas superam as negativas, não havendo uma justificativa para uma mudança de combustível. (Projetec, 2010)

Tabela 2.11 – Aspectos positivos e negativos do uso do coque no Araripe, segundo produtores de gesso

Vantagens Desvantagens

Elevado poder calorífico em relação à lenha

Menor teor de frações voláteis

Menor teor de cinzas que a madeira Maior teor de enxofre

Manuseio mais simples Cinzas contendo metais pesados Fornecimento regular e confiável Liberação de gases e material

particulado

- Requer armazenamento coberto - Ameaça de contaminação do gesso - Maior necessidade de manutenção e

redução da vida útil dos fornos

3. MODELAGEM MATEMÁTICA 3.1 Preliminares

Neste capítulo será discutida a modelagem matemática de um sistema de aquecimento para calcinação de gipsita usando lenha e coque de petróleo como combustível. Sendo a seção transversal do forno de forma circular, a modelagem irá quantificar a variação radial da temperatura em função do tempo, sugerindo o uso de coordenadas cilíndricas em um sistema bidimensional. O tratamento matemático foi fundamentado pela Primeira Lei da Termodinâmica.

A figura 3.1 apresenta a configuração do sistema de calcinação em análise. O sistema é formado por um cilindro rotativo, no qual no interior de seu leito encontra-se a gipsita a ser calcinada. O cilindro é cercado lateralmente pelas paredes do forno, acima pelo teto e, abaixo, pelo combustível utilizado no processo, representado por uma placa aquecida com uma temperatura fixa de chama. Diretamente acima do cilindro há uma cavidade para a saída dos gases de combustão, que envolve toda a região do forno.

Neste trabalho, as dimensões do forno em análise estão mostradas na tabela 3.1. Foi considerada também uma distância entre o cilindro e a chama e paredes laterais de 0,5 m. O forno é considerado isolado termicamente em suas extremidades. As dimensões adotadas são as mesmas encontradas nos fornos da região do Polo Gesseiro do Araripe. (Urbano, 2013)

A modelagem matemática é dividida em duas etapas. Na primeira é realizada uma análise global simplificada. Nela, um balanço de energia é efetuado envolvendo as regiões da chama, dos gases, das paredes laterais, do teto e do cilindro. Nesta etapa considera-se o regime como permanente e seu objetivo é determinar as temperaturas destas regiões. As duas etapas serão descritas a seguir.

Figura 3.1 – Representação de um sistema de calcinação utilizando queima indireta.

Tabela 3.1 – Dimensões do forno

Comprimento do forno 15 m

Raio interno do cilindro 0,49 m Raio externo do cilindro 0,50 m

Área superficial do cilindro 2πrL = 47,12 m2 Área da parede lateral 2 x 30 m2

Área da placa aquecida (chama) 30 m2

Área do teto 24 m2

(Urbano, 2013)